Per sostenere la civiltà umana in futuro, le fonti di energia pulita devono essere sfruttate per sostituire i combustibili fossili che ora inquinano la nostra atmosfera. L'energia solare ed eolica può fornire tutta l'energia necessaria. Però, lo stoccaggio sarà necessario quando il sole non splende e il vento non soffia.

Le batterie a flusso organico sono potenzialmente più sicure, alternativa meno costosa alle batterie agli ioni di litio e alle batterie a flusso di vanadio per lo stoccaggio di energia rinnovabile su larga scala.

Ora, I ricercatori di Harvard hanno dimostrato una nuova molecola organica che sopravvive e supera i suoi predecessori, offrendo la batteria a flusso organico ad alte prestazioni più duratura fino ad oggi. Soprannominata il chinone di Matusalemme, dal nome della figura biblica più longeva, questa molecola potrebbe utilmente immagazzinare e rilasciare energia molte decine di migliaia di volte in periodi pluriennali.

La ricerca è pubblicata sulla rivista Joule .

La ricerca è stata co-guidata da Roy Gordon, il Thomas Dudley Cabot Professore di Chimica e Professore di Scienza dei Materiali, e Michael Aziz, il Gene e Tracy Sykes Professore di Materiali e Tecnologie Energetiche presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

"Abbiamo progettato e costruito un nuovo composto organico in grado di immagazzinare energia elettrica e che ha anche una vita molto lunga prima che si decomponga, " ha detto Gordon. "Abbiamo scoperto processi di degradazione delle molecole che precedentemente utilizzavamo nelle batterie a flusso. Poi abbiamo creato nuovi, molecole più stabili che evitano questi problemi."

"Nei lavori precedenti, avevamo dimostrato una chimica con una lunga durata ma bassa tensione, che porta a un basso accumulo di energia per molecola, che porta a costi elevati per una data quantità di energia immagazzinata, " disse Aziz. "Ora, abbiamo la prima chimica che ha stabilità a lungo termine e arriva a più di un volt, che è comunemente considerata la soglia per la distribuzione commerciale. Credo che sia la prima batteria a flusso a base organica che soddisfa tutti i criteri tecnici per l'implementazione pratica."

La nuova chimica si basa su ricerche precedenti condotte da Aziz e Gordon. La molecola Matusalemme è un chinone modificato, un abbondante, molecola presente in natura parte integrante dei processi biologici come la fotosintesi e la respirazione cellulare. Collaborando con il professore di chimica teorica Alán Aspuru-Guzik, il loro team di ricerca ha caratterizzato il processo di degradazione delle precedenti molecole di chinone nelle batterie a flusso e ha apportato modifiche per aumentare la durata del calendario.

Negli esperimenti nei loro laboratori, la molecola Matusalemme aveva un tasso di dissolvenza inferiore allo 0,01 percento al giorno e inferiore allo 0,001 percento per ciclo di carica/scarica, che estrapola a meno del 3 percento di degradazione nel corso di un anno, e un funzionamento utile per decine di migliaia di cicli.

Matusalemme si dimostrò anche altamente solubile, il che significa che può immagazzinare più energia in uno spazio più piccolo. Funziona in un debole elettrolita alcalino, riducendo il costo della batteria consentendo l'uso di materiali di contenimento poco costosi e una membrana polimerica poco costosa per separare i terminali positivo e negativo.

Tutti questi progressi riducono i costi di stoccaggio e possono rendere i prodotti chimici di stoccaggio organico convenienti per lo scarico di lunga durata.

"Questa ricerca dimostra il potenziale dei prodotti organici, "ha detto David Kwabi, un borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore del documento. "Mostriamo che le molecole organiche sono una valida, di lunga durata, alternativa economica alle costose batterie al vanadio."

La ricerca è stata supportata dal programma di accumulo di energia dell'Ufficio dell'elettricità del DOE degli Stati Uniti, dall'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata—Energia, dal Fondo per l'innovazione Danimarca, dal Massachusetts Clean Energy Technology Center, e dalla Harvard School of Engineering and Applied Sciences.

"Questo importante lavoro rappresenta un significativo passo avanti verso il basso costo, batterie di flusso a lunga durata, " disse Imre Gyuk, Direttore del programma di stoccaggio dell'energia elettrica dell'Ufficio del DOE. "Tali dispositivi sono necessari per consentire alla rete elettrica di assorbire quantità crescenti di generazione rinnovabile verde ma variabile".

Con l'assistenza dell'Office of Technology Development (OTD) di Harvard, i ricercatori stanno cercando partner commerciali per ampliare la tecnologia per applicazioni industriali. Harvard OTD ha depositato un portafoglio di brevetti in sospeso sulle innovazioni nella tecnologia delle batterie a flusso.